PLC技術煤礦井下應用研究

陳敏

（重慶市科能高級技工學校，重慶 400037）

PLC技術煤礦井下應用研究

陳敏

（重慶市科能高級技工學校，重慶 400037）

針對煤礦井下網線覆蓋范圍只有100m，光纖在井下焊接不安全等問題，研究電力線傳輸技術在煤礦井下使用的技術可行性以及安全可行性。設計了安全可靠的電力線傳輸技術。經產品測試，綜合數據顯示，經過處理后的電力線傳輸技術符合煤礦井下安全規程要求，網線覆蓋距離達到2km，可以取代光纖傳輸，杜絕了井下光纖焊接的安全性問題。

工業以太網；PLC；電力線載波；本質安全；信號耦合

隨著國家對煤礦安全的日益重視以及煤礦綜合自動化程度的不斷提升，煤礦井下廣播系統、視頻監控系統、語音電話系統、瓦斯監控系統等大量使用，煤礦井下通訊數據量越來越大。工業以太網環網由于其帶寬高、光纖傳輸距離遠以及環網冗余的保護機制等特點，可以滿足生產礦井的需要。

但是，由于工業以太網在高帶寬模式下，只有光纖傳輸與網線傳輸模式，該兩種模式存在一定的缺陷：光纖傳輸在煤礦掘進巷道等需要移動通訊設備的地方溶解光纖非常不方便；網線傳輸距離只有100m左右。煤礦掘進等地方需要隨時移動設備，并且需要傳輸工業視頻等高帶寬設備信息，工業以太網暫時無法滿足該功能的需求。而具有傳輸距離遠、有一定網絡傳輸帶寬以及以電纜為傳輸介質的PLC技術完全可以解決以上問題。

1 技術簡介

電力線通信（Power Line Communication，英文簡稱PLC）技術是指利用電力線通信數據和媒體信號的一種通信方式。該技術是把載有信息的高頻信號加載于電流，利用電源線進行傳輸，接受信息的適配器再把高頻信號從電流中分離出來，信號經過濾波處理，轉換為用戶需要的各種類型信號。

電力線通信技術具有的最大優點在于不需要單獨鋪設通信電纜，只要設備具有交流電源就能把信號進行傳輸；另外，電力線技術采用電纜傳輸，用戶維護方便，維護時不需要考慮光纖焊接時需要準備的大量安全措施。

2 PLC在煤礦的運用領域及可行性分析

由于PLC載波技術物理載體雖然為電力線，但是信號本質上是基于電流傳輸，煤礦相關于瓦斯監控等停電仍然需要運行的系統是不能用PLC進行傳輸，因此，PLC主要運用于視頻信號傳輸以及非涉及到安全生產系統的信號傳輸。

PLC通信技術相當成熟，但是該技術只考慮非爆炸性環境使用，在安全技術方面存在很多問題，不能簡單把該技術直接運用于煤礦井下，需要對各種輸出信號進行有效的安全處理措施。

3 相關技術設計

PLC通信由于其技術的特殊性質，在煤礦領域進行使用需要做好幾方面的工作：第一，設備工作電源的安全性設計；第二，由于電源干擾大，需要進行信號濾波處理。

為了確保技術的安全性，輸出信號必須進行本質安全處理。

（1）電源設計。PLC通信載波芯片目前都采用5V工作電源。RJ45網絡信號輸出為本質安全型信號，根據煤礦安全標準要求，工作電源必須設計過流過壓雙重保護。具體設計電路見電源設計圖1。采用晶閘管保護，保護電壓為5.6V，電源電路雙重過壓保護電路如圖1。

圖1 電源電路圖

（2）耦合信號濾波處理。輸出PLC信號為非本安信號，作為井下設備，非本安信號與本安信號和外殼之間需能承受3000VAC耐壓。選用變壓器進行信號耦合，變壓器變比為1:1，原邊和副邊隔離耐壓為3750VAC。原邊增加C7、C8高耐壓電容將變壓器與工頻交流強電隔離，使通信電路能完全隔離電力網工頻信號。電路原理見PLC信號耦合電路圖2。

圖2 PLC信號耦合電路

選擇限流電阻為1MΩ，其功率：W=U2/ R=660×660÷(106+106)=0.2178W

最大功耗為：Wmax=W×1.7=0.2178×1.7=0.37W

設計電阻為1MΩ，功率為0.5W。

R7、R8為限流電阻，輸入電壓為660VAC。電流值I:I=U÷R=660÷2÷106=0.33mA

副邊設計RC濾波電路，增加共模抑制，查模抑制TVS。T2變比為1：1，T2副邊電流也為0.33mA，選擇副邊電阻為0.51Ω0.125W。

（3）技術安全性。PLC技術運用于煤礦井下，輸出信號除了要滿足隔離耐壓要求，還需要滿足：第一，相關安全的PCB設計要求；第二，本安信號必須滿足本質安全需求，相應設計安全柵電路。

①PCB設計要求。PCB設計時，本安端子與非本安端子之間電氣間隙不小于50mm。當電壓峰值為660V時，導電部件間的距離參考GB3836.4-2010中6.3節。

②信號隔離與安全柵電路。RJ45輸出為本安信號，輸出信號與設備外殼以及非本安端具有一定耐壓隔離。電路設計時采用網路數據變壓器，該變壓器采用雙鐵芯，設計接地線，原邊與副邊之間支持1500VAC隔離。

網絡RJ45信號輸出信號電壓為3.3VDC，安全柵電路設計2個雙向TVS，電壓為3.6VDC，保險絲為0.2A2Ω。限流電阻選擇為2.2Ω，保護電壓為3.3V。由于電阻絲的熔斷具有一定時間時間，限流電阻需要在這個時間能保證正常工作，保護電流值ILIM：

選擇限流電阻功率為2W。安全柵電路圖如圖3所示。

圖3 安全柵電路圖

4 試驗測試

根據國標規定，煤礦井下產品必須滿足隔離耐壓測試。產品經過測試，非本安端與外殼之間耐壓值為3082VAC,非本安端與本安端之間耐壓值為3107VAC，本安端與外殼之間耐壓值為1500VAC。

通過模擬現場進行了傳輸距離與傳輸帶寬測試，具體數據如表1所示。

表1 傳輸距離與帶寬測試表

5 結語

通過對PLC技術耦合濾波的研究以及各種信號安全隔離的處理，實現了PLC技術在煤礦井下的使用。產品模擬現場進行一系列測試得知，信號安全處理以后的PLC技術能在網絡帶寬為5.4Mbps情況下使用普通電纜為通訊載體，其傳輸距離可達到2km。

目前該技術產品正進行安標送檢工作中，經過相應的技術研究以及安全性研究，相信PLC技術在煤礦局部區域能代替光纜傳輸技術，得到廣泛應用。

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TD528.1

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